Que é un láser criogénico

O concepto de láseres que operan a baixas temperaturas non é novo: o segundo láser da historia foi criogénico. Inicialmente, o concepto era difícil de lograr o funcionamento da temperatura ambiente e o entusiasmo polos traballos de baixa temperatura comezou na década dos noventa co desenvolvemento de láseres e amplificadores de alta potencia.

En alta potenciaFontes láser, Efectos térmicos como a perda de despolarización, a lente térmica ou a flexión de cristal láser poden afectar o rendemento dofonte de luz. A través do arrefriamento de baixa temperatura, pódense suprimir efectivamente moitos efectos térmicos nocivos, é dicir, o medio de ganancia debe ser arrefriado ata 77K ou incluso 4K. O efecto de refrixeración inclúe principalmente:

A condutividade característica do medio de ganancia está moi inhibida, principalmente porque se aumenta a vía media libre da corda. Como resultado, o gradiente de temperatura cae drasticamente. Por exemplo, cando a temperatura baixa de 300k a 77K, a condutividade térmica do cristal YAG aumenta nun factor de sete.

O coeficiente de difusión térmica tamén diminúe drasticamente. Isto, xunto cunha redución do gradiente de temperatura, produce un efecto de lente térmica reducido e, polo tanto, unha probabilidade reducida de rotura do estrés.

Tamén se reduce o coeficiente termo-óptico, reducindo aínda máis o efecto da lente térmica.

O aumento da sección transversal de absorción de ións da terra rara débese principalmente á diminución da ampliación causada polo efecto térmico. Polo tanto, a potencia de saturación redúcese e aumenta a ganancia láser. Polo tanto, a potencia da bomba limiar é reducida e pódense obter pulsos máis curtos cando o interruptor Q está funcionando. Ao aumentar a transmisión do acoplador de saída, pódese mellorar a eficiencia da pendente, polo que o efecto de perda de cavidade parasitaria faise menos importante.

O número de partículas do nivel total baixo do medio de ganancia de case tres niveis redúcese, polo que a potencia de bombeo de limiar é reducida e a eficiencia de enerxía é mellorada. Por exemplo, YB: YAG, que produce luz a 1030 nm, pode verse como un sistema de case tres niveis a temperatura ambiente, pero un sistema de catro niveis a 77K. ER: O mesmo vale para Yag.

Dependendo do medio de ganancia, reducirase a intensidade dalgúns procesos de extinción.

Combinado cos factores anteriores, o funcionamento de baixa temperatura pode mellorar moito o rendemento do láser. En particular, os láseres de refrixeración a baixa temperatura poden obter unha potencia de saída moi alta sen efectos térmicos, é dicir, pódese obter unha boa calidade de feixe.

Un dos temas a considerar é que nun cristal láser criocoolado, reducirase o ancho de banda da luz radiada e a luz absorbida, polo que o rango de afinación da lonxitude de onda será máis estreito, e o ancho da liña e a estabilidade da lonxitude de onda do láser bombeado serán máis rigorosos. Non obstante, este efecto normalmente é raro.

O arrefriamento criogénico normalmente usa un refrixerante, como o nitróxeno líquido ou o helio líquido, e idealmente o refrixerante circula a través dun tubo unido a un cristal láser. O refrixerante é replicado no tempo ou reciclado nun lazo pechado. Para evitar a solidificación, normalmente é necesario colocar o cristal láser nunha cámara de baleiro.

O concepto de cristais láser que opera a baixas temperaturas tamén se pode aplicar aos amplificadores. O zafiro de titanio pódese usar para facer un amplificador de retroalimentación positiva, a potencia media de saída en decenas de vatios.

Aínda que os dispositivos de refrixeración criogénicos poden complicarSistemas láser, os sistemas de refrixeración máis comúns adoitan ser menos sinxelos e a eficiencia do arrefriamento criogénico permite unha redución da complexidade.